KR20180011950A

KR20180011950A - 순환 유동층 보일러 시스템

Info

Publication number: KR20180011950A
Application number: KR1020160094532A
Authority: KR
Inventors: 김태현
Original assignee: 현대건설주식회사
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-02-05
Also published as: KR101835737B1

Abstract

본 발명은, 공기 예열기로부터 스택으로 배출되는 비교적 저온이고 산소 분압이 낮은 배기가스를 바닥재 냉각기의 유동화 가스로 활용함으로써, 바닥재 냉각기의 내부가 저농도의 산소 분위기가 형성되므로 산소가 희박하여 연소반응 자체가 일어나지 않거나, 소량의 산소와 미연탄소가 반응하는 불완전 연소반응이 일어나며, 불완전 연소반응은 흡열반응이므로 내부 온도 상승을 방지하여 상기 바닥재의 입자간 용융이 방지될 수 있으며, 흡열반응에 의해 냉각효과가 보다 향상될 수 있다. 또한, 바닥재 냉각기에서 최고온 공간인 제1공간을 나머지 공간들로부터 완전히 격리함으로써, 저농도의 산소 분위기에서 흡열 반응을 유도하여 냉각효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제1공간에서 생성된 합성가스를 다시 연소실로 투입하여 활용함으로써, 에너지 회수율을 극대화시킬 수 있다.

Description

순환 유동층 보일러 시스템{Circulating fluidized bed boiler}

본 발명은 순환 유동층 보일러 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스를 유동층 바닥재 냉각기로 순환시켜 유동화 가스로 활용함으로써 미연탄소에 의한 후연소를 방지할 수 있는 순환 유동층 보일러 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 순환 유동층 보일러 시스템은, 화석 연료, 바이오 매스 연료 등의 고형 연료를 모래 등의 층(bed) 물질(또는 순환 매체)과 함께 연소실(Furnace), 사이클론(Cyclone), 룹실(Loopseal) 및 연소실을 순환하면서 증기를 생산하는 시스템이다. 순환 유동층 보일러 시스템은 강력한 혼합력과 열전달 특성을 바탕으로 석탄 등의 화석 연료 뿐만 아니라 바이오 매스까지 다양한 연료를 연소시킬 수 있다.

순환 유동층 보일러 시스템에서, 연소실에서 연소된 바닥재(bottom ash)는 약 900℃의 고온 상태로 배출되기 때문에, 상기 바닥재를 냉각시키기 위한 바닥재 냉각기가 설치된다. 상기 바닥재를 냉각시키는 방법은 스크류 방법과 유동층 방법이 있다. 유동층 바닥재 냉각기(FBAC, Fluidized Bottom Ash Cooler)는 스크류 방법에 비해 처리용량이 크고 열전달 효율이 좋기 때문에 많이 사용된다.

그러나, 유동층 바닥재 냉각기는 상기 바닥재의 입자가 큰 경우 유동성이 낮아지게 되어, 상기 바닥재의 입자들의 열이 축열된다. 축열이 되면, 상기 바닥재가 국부적으로 온도가 상승하게 되고, 상기 바닥재의 입자들의 표면이 녹으면서 서로 달라붙게 되어 응집현상이 발생된다. 상기 응집현상이 발생되면, 비유동화(Defluidization)가 발생되어 시스템이 정지되는 상황에 이르게 되는 문제점이 있다.

한국공개특허 1994-0008728

본 발명의 목적은, 바닥재 냉각기에서 미연탄소에 의한 후연소로 인하여 비정상적인 온도 상승을 방지할 수 있는 순환 유동층 보일러 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 고체 연료와 순환 매체를 유동시키면서 연소시키는 연소실과; 상기 연소실로부터 배출된 재와 배기가스가 유입되고, 상기 재는 포집하여 상기 연소실로 순환시키고, 상기 배기가스는 배출하는 사이클론과; 상기 사이클론에서 배출된 배기가스를 이용해 상기 연소실로 공급되는 공기를 예열시키는 공기 예열기와; 상기 연소실로부터 바닥재(bottom ash)가 투입되는 투입구가 일측 상부에 형성되고, 상기 투입구에서 멀어질수록 온도가 낮아지도록 복수의 공간들로 구획되어, 상기 투입구를 통해 공급된 바닥재를 상기 복수의 공간들을 차례로 유동시켜 냉각시키는 바닥재 냉각기와; 상기 공기 예열기에서 나온 배기가스를 상기 바닥재 냉각기로 순환시켜, 상기 바닥재를 냉각시키도록 하는 배기가스 순환수단을 포함한다.

본 발명은, 공기 예열기로부터 스택으로 배출되는 비교적 저온이고 산소 분압이 낮은 배기가스를 바닥재 냉각기의 유동화 가스로 활용함으로써, 바닥재 냉각기의 내부가 저농도의 산소 분위기가 형성되므로 산소가 희박하여 연소반응 자체가 일어나지 않거나, 소량의 산소와 미연탄소가 반응하는 불완전 연소반응이 일어나며, 불완전 연소반응은 흡열반응이므로 내부 온도 상승을 방지하여 상기 바닥재의 입자간 용융이 방지될 수 있으며, 흡열반응에 의해 냉각효과가 보다 향상될 수 있다.

또한, 바닥재 냉각기에서 최고온 공간인 제1공간을 나머지 공간들로부터 완전히 격리함으로써, 저농도의 산소 분위기에서 흡열 반응을 유도하여 냉각효과를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1공간에서 생성된 합성가스를 다시 연소실로 투입하여 활용함으로써, 에너지 회수율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 보일러 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 바닥재 냉각기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 바닥재 냉각기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 유동층 보일러 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 보일러 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 순환 유동층 보일러 시스템은, 연소실(10), 사이클론(Cyclone)(20), 룹실(Loop seal)(30), 공기 예열기(40), 스택(50), 바닥재 냉각기(100) 및 배기가스 순환수단(200)을 포함한다.

상기 연소실(10)은, 고체 연료와 순환 매체를 유동시키면서 연소시키는 공간이다. 상기 연소실(10)에는 상기 고체 연료가 저장된 고체 연료 벙커(2)와, 상기 순환 매체가 저장된 순환 매체 벙커(4)가 연결된다. 상기 고체 연료는, 화석 연료, 바이오 매스 등을 포함하며, 본 실시예에서는 석탄을 이용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 순환 매체는, 모래나 석탄의 재(ash)를 포함하며, 본 실시예에서는 재를 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 연소실(10)로 공급된 상기 고체 연료와 상기 순환 매체는 외부에서 공급되는 유동화 가스에 의해 상기 연소실(10)의 내부를 유동, 비산 및 순환하면서 연소된다.

상기 사이클론(20)은, 상기 연소실(10)의 상부와 연통되게 연결된다. 상기 연소실(10)에서 상기 고체 연료가 연소되면서 발생한 배기가스가 사이클론(20)으로 유입된다. 이 때, 상기 연소실(10) 내부에서 연소되어 유동하던 재의 일부가 상기 배기가스와 함께 상기 사이클론(20)으로 유입된다. 상기 사이클론(20)은, 상기 배기가스에 포함된 상기 재를 포집하여 하부로 배출하여, 상기 연소실(10)로 재순환시켜주는 역할을 한다.

상기 룹실(30)은, 상기 사이클론(20)의 하부와 연통되게 연결된다. 상기 룹 실(30)은 상기 재가 가득 채워져 있는 공간이다. 상기 룹 실(30)의 하부는 상기 연소실(10)의 하부와 연통되게 연결된다. 상기 사이클론(20)에서 포집된 재는 상기 룹 실(30)을 통해 상기 연소실(10)의 하부로 다시 공급된다. 상기 룹 실(30)은, 상기 재가 가득 채워져 있기 때문에, 상기 연소실(10)로부터 상기 룹 실(30)로 재가 역류하는 것이 방지될 수 있다.

상기 공기 예열기(40)는, 상기 사이클론(20)의 상부와 연통되게 연결된다. 상기 공기 예열기(40)에는 제1열교환기(41)와 복수의 제2열교환기들(42)이 구비된다.

상기 제1열교환기(41)는, 외부로부터 공급된 공기를 상기 배기가스와 열교환시킨다. 상기 제1열교환기(41)는 공기 공급유로(60)에 연결된다. 상기 공기 공급유로(60)는, 외부 공기를 상기 공기 예열기(40)로 안내하고, 상기 공기 예열기(40)에서 예열된 공기를 상기 연소실(10)의 하부로 안내하는 유로이다. 상기 공기 공급유로(60)에는 공기를 송풍시키기 위한 공기 팬(61)이 설치된다.

상기 제2열교환기들(42)은, 상기 사이클론(20)에서 배출된 고온의 배기가스를 증기 터빈(미도시)을 순환하는 물과 열교환시킨다. 상기 공기 예열기(40)를 통과한 배기가스는 스택(50)에 공급된다.

상기 공기 예열기(40)와 상기 스택(50)은, 배기가스 토출유로(70)로 연결된다. 상기 배기가스 토출유로(70)는, 상기 공기 예열기(40)에서 토출되는 배기가스를 상기 스택(50)으로 안내하는 유로이다.

도 2는 도 1에 도시된 바닥재 냉각기를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시된 바닥재 냉각기를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.

상기 바닥재 냉각기(100)는, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 연소실(10)로부터 배출된 바닥재(bottom ash)를 유동시켜 냉각시키는 유동층 방식 냉각기(FBAC, Fluidized Bottom Ash Cooler)이다. 상기 바닥재는 상기 연소실(10)에서 연소되고 남은 재를 의미한다. 상기 바닥재에는 미연탄소가 포함된다.

상기 바닥재 냉각기(100)는, 상기 연소실(10)의 하부에 덕트(12)를 통해 연결된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 바닥재 냉각기(100)는 상기 연소실(10)의 하부에 맞대어져 연결되는 것도 물론 가능하다.

상기 바닥재 냉각기(100)의 일측 상부에는 투입구(102)가 형성된다. 상기 투입구(102)는, 상기 덕트(12)에 연결되어 상기 연소실(10)로부터 상기 바닥재가 투입되는 홀이다.

상기 바닥재 냉각기(100)는, 복수의 격벽들(110), 분산판(170) 및 윈드박스(130)를 포함한다.

상기 복수의 격벽들(110)은, 상기 바닥재 냉각기(100)의 내부 공간을 복수의 공간들(120)로 구획한다. 상기 복수의 격벽들(110)은, 상기 바닥재 냉각기(100)의 바닥면에서 연직방향으로 세워지고, 서로 소정간격 이격되게 배치된다.

본 실시예에서는, 상기 복수의 격벽들(110)은, 3개의 제1,2,3격벽(111)(112)(113)을 포함하고, 상기 복수의 공간들(120)은 상기 제1,2,3격벽(111)(112)(113)에 의해 구획된 4개의 제1,2,3,4공간(121)(122)(123)(124)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2,3,4공간(121)(122)(123)(124)은 차례대로 배치된다.

상기 제1,2,3,4공간(121)(122)(123)(124) 중에서 상기 투입구(102)와 가장 가까운 공간은 상기 제1공간(121)이고, 상기 투입구(102)가 가장 먼 공간은 상기 제4공간(124)이다. 상기 투입구(102)와 가까울수록 다른 공간보다 상대적으로 온도가 높은 공간이다. 즉, 상기 제1공간(121)이 내부 온도가 가장 높은 최고온 공간이며, 상기 제4공간(124)이 내부 온도가 가장 낮은 최저온 공간인 것으로 설명한다.

상기 제1공간(121)은, 상기 투입구(102)와 연통된다. 상기 제1공간(102)은, 상기 투입구(102)에서 바닥재가 직접 투입되는 공간이므로, 다른 공간들에 비해 내부 온도가 가장 높은 최고온 공간이다.

상기 제1격벽(111)은, 상기 제1공간(121)과 상기 제2공간(122)을 구획한다. 상기 제1격벽(111)은 상기 제1공간(121)의 상,하부를 모두 차단하여, 상기 제2공간(122)으로부터 상기 제1공간(121)으로 상기 배기가스가 유입되는 것을 차단한다. 즉, 상기 제1격벽(111)은, 상기 제1공간(121)과 상기 제2공간(122) 사이를 완전히 차단한다. 상기 제1격벽(111)의 폭과 높이는 상기 바닥재 냉각기(100)의 내부 공간의 폭과 높이와 동일하게 형성되어, 상기 제1공간(121)의 상,하,좌,우를 완전히 차단한다. 따라서, 상기 제1공간(121)은, 상기 제2공간(122)과 완전히 격리됨으로써, 상기 분산판(170)으로부터 공급되는 설정량의 배기가스만이 유입되어, 저농도의 산소 분위기가 형성된다.

상기 복수의 공간들(120) 중에서 상기 제1공간(121)을 제외한 나머지 공간들은, 상부는 서로 연통되고 하부만 상기 제2,3격벽(112)(113)에 의해 구획된다. 즉, 상기 제1공간(121)과 상기 제2공간(122)은, 상,하부가 모두 격리되는 반면, 상기 제2,3,4공간(122)(123)(124)은 상부는 서로 연통되고 하부만 구획된다.

상기 제2,3격벽(112)(113)은, 상기 제1격벽(111)보다 높이가 낮게 형성되어 하부 공간만을 구획하는 하부 격벽들이다.

상기 제1,2,3격벽(111)(112)(113)의 각 하부에는 상기 복수의 공간들 사이에서 상기 바닥재가 이동하도록 각각 제1,2,3이동홀(111a)(112a)(113a)들이 형성된다. 상기 제1,2,3이동홀(111a)(112a)(113a)들은 상기 바닥재의 이동 경로가 최대가 되도록 서로 대각선 방향으로 이격된 위치에 형성된다.

상기 제1이동홀(111a)은, 상기 제1격벽(111)의 하부와 상기 바닥재 냉각기(100)의 바닥면(100c)이 만나는 부분에 형성된다. 또한, 상기 제1이동홀(111a)은 상기 투입구(102)와 거리가 최대한 멀리 떨어지도록 상기 투입구(102)가 형성된 제1측면(100a)과 마주하는 제2측면(100b)에 가깝게 형성된다.

상기 제2이동홀(112a)은, 상기 제2격벽(112)의 하부와 상기 바닥재 냉각기(100)의 바닥면(100c)이 만나는 부분에 형성된다. 또한, 상기 제2이동홀(112a)은 상기 제1이동홀(111a)과 거리가 최대한 멀리 떨어지도록 상기 투입구(102)가 형성된 상기 제1측면(100a)에 가깝게 형성된다.

상기 제3이동홀(113a)은, 상기 제3격벽(113)의 하부와 상기 바닥재 냉각기(100)의 바닥면(100c)이 만나는 부분에 형성된다. 또한, 상기 제3이동홀(113a)은 상기 제2이동홀(112a)과 거리가 최대한 멀리 떨어지도록 상기 제2측면(100b)에 가깝게 형성된다.

상기 제4공간(140)의 하부에는 상기 바닥재 냉각기(100)에서 냉각된 바닥재를 외부로 배출시키는 배출구(140a)가 형성된다. 상기 배출구(140a)는 상기 제4이동홀(114a)과 거리가 최대한 멀리 떨어진 위치에 형성된다. 상기 배출구(140a)에는 상기 바닥재의 배출을 제어할 수 있도록 상기 배출구(140a)를 개폐하는 피더(미도시)가 설치된다.

상기 윈드박스(130)는, 상기 바닥재 냉각기(100)에 상기 바닥재를 냉각시키기 위한 배기가스를 공급하는 장치이다. 상기 윈드박스(130)는, 상기 바닥재 냉각기(100)의 하부에 설치되어, 상기 복수의 공간들(120)에 각각 배기가스를 공급한다. 상기 윈드박스(130)는 상기 복수의 공간들(120)별로 송풍 유량이나 송풍 온도를 다르게 하는 것도 가능하다.

상기 분산판(170)은, 상기 윈드박스(130)와 상기 바닥재 냉각기(100)의 경계면에 설치된다. 상기 분산판(170)은, 상기 윈드박스(130)로부터 공급받은 배기가스를 상기 바닥재 냉각기(100)의 내부로 분산시켜 공급하고, 유동화 흐름을 발생시킨다.

상기 분산판(170)에는 복수의 노즐들(172)이 서로 소정간격 이격되게 배치된다. 상기 노즐들(172)은, 배기가스를 분산 공급함으로써 상기 바닥재 냉각기(100)의 입자들이 부유하여 유동하도록 한다.

상기 노즐들(172)은, 일방향으로 절곡된 형상인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 기둥 형상으로 형성되어 적어도 하나 이상의 분산홀들이 형성되는 것도 가능하다.

상기 제1공간(121)에 배치된 노즐들은(172)은 상기 제2공간(122)을 향한 방향으로 절곡되게 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 따라서, 상기 제1공간(121)의 바닥재들이 냉각된 후 상기 제2공간(122)으로 이동이 용이하도록 한다. 또한, 상기 제2공간(122)에 배치된 노즐들(172)은 상기 제3공간(123)을 향한 방향으로 절곡되어 상기 제2공간(122)의 바닥재들이 냉각된 후 상기 제3공간(123)으로 이동이 용이하도록 한다. 상기 제3공간(123)에 배치된 노즐들(172)은 상기 제4공간(124)을 향한 방향으로 절곡되어 상기 제3공간(123)의 바닥재들이 냉각된 후 상기 제4공간(124)으로 이동이 용이하도록 한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1공간(121)에 배치된 노즐들(172)은 상기 제1이동홀(111a)을 향하도록 배치되고, 상기 제2공간(122)에 배치된 노즐들(172)은 상기 제2이동홀(112a)을 향하도록 배치되고, 상기 제3공간(123)에 배치된 노즐들(172)은 상기 제3이동홀(112a)을 향하도록 배치되는 것도 물론 가능하다.

한편, 상기 배기가스 순환수단(200)은, 배기가스 순환유로(210), 합성가스 순환유로(220), 배기가스 순환팬(230), 배기가스 댐퍼(240) 및 배기가스 블로워(250)를 포함한다.

상기 배기가스 순환유로(210)는, 상기 공기 예열기(40)에서 나온 배기가스를 상기 바닥재 냉각기(100)의 하부에 설치된 상기 윈드박스(130)로 안내하는 유로이다. 상기 배기가스 순환유로(210)는, 상기 배기가스 토출유로(70)에서 분기되어 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 배기가스 순환팬(230)은, 상기 배기가스 순환유로(210)에 설치된다. 상기 배기가스 순환팬(211)은, 상기 배기가스 토출유로(70)로 토출된 배기가스 중 일부를 상기 바닥재 냉각기(100)에서 바닥재를 냉각시키기 위한 유동화 가스로 공급한다.

상기 배기가스 댐퍼(240)는, 상기 배기가스 순환유로(210)상에 설치되어 상기 배기가스의 유량을 제어한다.

상기 배기가스 블로워(250)는, 상기 배기가스 순환유로(210)상에서 상기 윈드박스(180)측에 설치되어, 상기 분산판(170)으로 투입되기 위한 배기가스의 압력을 발생시킨다.

상기 합성가스 순환유로(220)는, 상기 제1공간(121)에서 소량의 산소와 미연탄소의 반응으로 인해 발생된 합성가스를 상기 연소실(10)로 토출하여 순환시키는 유로이다. 상기 제1공간(121)을 상기 제2공간(122)으로부터 격리할 경우, 상기 제1공간(121)으로 배기가스 유입이 제한되어 저산소 분위기가 형성된다. 상기 제1공간(121)에서 소량의 산소와 미연탄소가 반응하여, CO, H₂, CH₄등의 높은 에너지를 가진 합성가스 형태로 변환하게 된다.

상기와 같이 구성된 순환 유동층 보일러 시스템의 바닥재 냉각기의 냉각 방법을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 상기 연소실(10)에서 상기 석탄이 상기 재와 함께 유동하면서 연소된다. 상기 연소실(10)의 연소과정에서 발생된 배기가스와 상기 배기가스에 포함된 상기 재는 상기 연소실(10)의 상부를 통해 상기 사이클론(20)으로 배출된다.

상기 사이클론(20)에서는 상기 배기가스를 상부로 토출하여 상기 공기 예열기(40)로 보내고, 상기 배기가스에 포함된 재는 포집하여 상기 룹 실(30)로 보낸다.

상기 룹 실(30)의 재는 상기 연소실(10)의 하부로 공급되어 순환된다.

한편, 상기 연소실(10)의 하부에 쌓인 바닥재는 상기 덕트(12)를 통해 상기 제1공간(121)으로 공급된다.

상기 제1공간(121)으로 공급된 바닥재들은 상기 제1공간(121)으로 공급된 배기가스와의 열교환을 통해 냉각된 후, 상기 제1이동홀(111a)을 통해 상기 제2공간(122)으로 이송된다.

상기 제2공간(122)에서는 상기 제1공간(121)에서 냉각된 후 이송된 바닥재들이 함께 유동하면서 냉각된다. 상기 제2공간(122)내의 바닥재들은 상기 제2공간(122)으로 공급된 배기가스와의 열교환을 통해 추가 냉각된 후, 상기 제2이동홀(112a)을 통해 상기 제3공간(123)으로 이송된다. 이 때, 상기 제2공간(122)은, 상기 제1공간(121)에서 냉각된 바닥재들이 공급되므로, 상기 제2공간(122)의 온도는 상기 제1공간(121)의 온도보다 낮다.

상기 제3공간(123)에서는 상기 제2공간(122)에서 냉각된 후 이송된 바닥재들이 함께 유동하면서 냉각된다. 상기 제3공간(123)내의 바닥재들은 상기 제3공간(123)으로 공급된 배기가스와의 열교환을 통해 냉각된 후, 상기 제3이동홀(113a)을 통해 상기 제4공간(124)으로 이송된다. 이 때, 상기 제3공간(123)은, 상기 제2공간(122)에서 냉각된 바닥재들이 공급되므로, 상기 제3공간(123)의 온도는 상기 제2공간(122)의 온도보다 낮다.

상기 제4공간(124)에서는, 상기 제3공간(123)에서 냉각된 후 이송된 소립자의 바닥재들(B)이 함께 냉각된다. 상기 제4공간(124)은, 상기 제3공간(123)으로부터 냉각이 충분히 이루어진 바닥재들이 공급되므로, 상기 제4공간(124)의 온도는 상기 제3공간(123)의 온도보다 낮다.

상기 제4공간(124)내의 바닥재들은 상기 제4공간(124)으로 공급된 공기와의 열교환을 통해 냉각된 후, 상기 배출구(140a)를 통해 외부로 배출된다.

한편, 상기 공기 예열기(40)에서는 상기 배기가스를 상기 제2열교환기(42)와 상기 제1열교환기(41)를 통해 열교환시킨다. 상기 공기 예열기(40)에서 상기 제1,2열교환기(41)(42)와 열교환된 배기가스 중 일부는 상기 스택(50)으로 공급되고, 나머지는 상기 배기가스 순환유로(210)를 통해 상기 바닥재 냉각기(100)로 공급된다.

상기 배기가스 순환유로(210)를 통해 상기 바닥재 냉각기(100)로 공급되는 배기가스의 온도는 약 120℃이므로, 약 900℃의 바닥재보다 비교적 낮은 온도이므로 냉각효과가 증대될 수 있다. 또한, 상기 배기가스의 경우, 산소 분압이 매우 낮은 상태이다.

상기 배기가스 순환유로(210)를 통해 상기 바닥재 냉각기(100)로 공급되는 배기가스는 상기 윈드박스(180)와 상기 분산판(170)을 통해 유동층 흐름을 형성하면서 상기 바닥재 냉각기(100)의 복수의 공간들(120)로 공급된다. 이 때, 상기 복수의 공간들(120)로 공급되는 배기가스의 유량은 서로 다르게 제어될 수 있다. 상기 복수의 공간들(120) 중에서 상기 제1공간(121)으로 유입되는 배기가스의 유량이 나머지 공간들로 유입되는 배기가스의 유량보다 작게 설정될 수 있다.

상기 제1공간(121)은 상기 제1격벽(111)에 의해 상기 제2공간(122)과 격리되어 있으므로, 미리 설정된 설정 유량의 배기가스만이 공급되고 상기 제2공간(122)으로부터 배기가스가 거의 유입되지 않는다. 상기 제1공간(121)에 상기 설정 유량의 산소 분압이 낮은 배기가스만이 공급되어, 저농도의 산소 분위기가 형성될 수 있다.

따라서 상기 제1공간(121)에서는 산소가 희박하여 연소반응 자체가 일어나지 않거나 소량의 산소와 미연탄소가 반응하는 불완전 연소반응에 의해 CO, H₂, CH₄ 등 높은 에너지를 가진 합성가스가 생성된다.

종래에는, 상기 바닥재에 상기 석탄의 미연탄소 함량이 높은 상태에서, 상기 제1공간(121)에 고농도의 산소를 포함하는 공기를 공급할 경우, 탄소가 연소되어 이산화탄소로 변화되는 완전 연소반응이 일어나게 된다. 완전 연소반응은 발열 반응이므로, 내부 온도가 상승하여, 상기 바닥재의 입자가 녹으면서 응집되어 비유동상태가 되는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명에서는, 최고온 공간인 상기 제1공간(121)에 비교적 낮은 온도이고 산소의 분압이 낮은 배기가스를 공급하고, 상기 제1공간(121)에 공급되는 배기가스의 유량을 제어함으로써 저농도의 산소 분위기로 형성할 수 있다.

따라서, 산소가 희박하여 연소반응 자체가 일어나지 않거나, 소량의 산소와 미연탄소가 반응하는 불완전 연소반응이 일어나며, 불완전 연소반응은 흡열반응이므로 내부 온도 상승을 방지하여 상기 바닥재의 입자간 용융이 방지될 수 있으며, 흡열반응에 의해 냉각효과가 보다 향상될 수 있다.

상기 제1공간(121)에서 생성된 합성가스는 상기 바닥재들과 함께 상기 제1이동홀(111a)을 통해 이동한 후, 상기 합성가스 순환유로(220)를 통해 연소실로 공급된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 합성가스는 상기 제1공간(121)에 별도로 연결된 유로를 통해 배출되는 것도 물론 가능하다.

본 실시예에서는, 상기 공기 예열기(40)로부터 상기 스택(50)으로 배출되는 비교적 저온의 배기가스 중 적어도 일부를 재순환하여 상기 바닥재 냉각기(100)의 유동화 가스로 활용함으로써, 미연탄소에 의한 완전 연소를 방지할 수 있다.

또한, 비정상적인 고온 상태의 형성을 방지하여 입자간의 용융이 방지되므로, 입자들간의 응집 현상이 방지되어 유동성을 유지할 수 있다.

또한, 최고온 공간이 상기 제1공간(121)을 상기 제2공간(122)으로부터 완전히 격리함으로써, 상기 제2공간(122)으로부터의 배기가스 추가 유입이 차단되어 저농도의 산소 분위기를 형성하여, 저 산소 분위기에서 흡열 반응을 유도하여 냉각효과를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1공간(121)에서 생성된 합성가스를 다시 상기 연소실(10)로 투입하여 활용함으로써, 에너지 회수율을 극대화시킬 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 유동층 보일러 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 유동층 보일러 시스템은, 배기가스 순환수단(200)이 상기 공기 예열기(40)에서 예열된 공기 중 일부를 상기 바닥재 냉각기로(100)로 순환시키도록 안내하는 공기 순환유로(300)를 더 포함하는 것이 상기 일 실시예와 상이하고 나머지 구성 및 작용은 유사하므로, 상이한 점을 중심으로 설명하고 유사 구성에 대해 동일 부호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

상기 공기 순환유로(300)는, 상기 공기 공급유로(60)에서 분기되어 상기 배기가스 순환유로(210)로 연결된다.

상기 공기 순환유로(300)와 상기 공기 공급유로(60)가 연결되는 지점에는 유량 조절수단(301)이 설치된다. 상기 유량 조절수단(301)은 유량제어밸브가 사용될 수 있다.

상기 공기 순환유로(300)는, 상기 배기가스 순환유로(210)에서 상기 배기가스 댐퍼(240)에 연결된다.

따라서, 상기 공기 예열기(40)에서 예열된 공기를 상기 공기 예열기(40)에서 나온 배기가스와 적절한 비율로 혼합하여, 상기 바닥재 냉각기(100)에 공급하여 사용할 수 있다. 상기 공기와 상기 배기가스의 비율은, 상기 배기가스의 온도나 유량에 따라 조절할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 연소실 100: 바닥재 냉각기
110: 격벽 120: 공간
200: 배기가스 순환수단 210: 배기가스 순환유로
220: 합성가스 순환유로

Claims

고체 연료와 순환 매체를 유동시키면서 연소시키는 연소실과;
상기 연소실로부터 배출된 재와 배기가스가 유입되고, 상기 재는 포집하여 상기 연소실로 순환시키고, 상기 배기가스는 배출하는 사이클론과;
상기 사이클론에서 배출된 배기가스를 이용해 상기 연소실로 공급되는 공기를 예열시키는 공기 예열기와;
상기 연소실로부터 바닥재(bottom ash)가 투입되는 투입구가 일측 상부에 형성되고, 상기 투입구에서 멀어질수록 온도가 낮아지도록 복수의 공간들로 구획되어, 상기 투입구를 통해 공급된 바닥재를 상기 복수의 공간들을 차례로 유동시켜 냉각시키는 바닥재 냉각기와;
상기 공기 예열기에서 나온 배기가스를 상기 바닥재 냉각기로 순환시켜, 상기 바닥재를 냉각시키도록 하는 배기가스 순환수단을 포함하는 순환 유동층 보일러 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 배기가스 순환수단은,
상기 공기 예열기에서 나온 배기가스를 상기 바닥재 냉각기의 하부에 설치된 윈드박스로 안내하는 배기가스 순환유로를 포함하는 순환유동층 보일러 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 배기가스 순환수단은,
상기 공기 예열기에서 예열된 공기 중 일부를 상기 바닥재 냉각기로 순환시키도록 안내하는 공기 순환유로를 더 포함하는 순환유동층 보일러 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 공기 순환유로는, 상기 배기가스 순환유로에 연결되고,
상기 공기 순환유로와 상기 배기가스 순환유로가 연결된 지점에는 댐퍼가 설치된 순환유동층 보일러 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 공간들 중에서 상기 투입구와 연통하는 제1공간은,
상기 제1공간과 이웃하는 제2공간으로부터 상,하부를 차단하여 상기 배기가스가 유입되는 것을 차단하는 제1격벽이 설치된 순환 유동층 보일러 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 배기가스 순환수단은,
상기 제1공간에서 산소와 미연탄소의 반응으로 인해 발생된 합성가스를 상기 연소실로 토출하여 순환시키는 합성가스 순환유로를 더 포함하는 순환유동층 보일러 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 제1격벽의 하부에는 상기 제1공간에서 냉각된 바닥재가 상기 제2공간으로 이동하도록 이동홀이 형성된 순환 유동층 보일러 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 복수의 공간들 중에서 상기 제1공간을 제외한 나머지 공간들은,
상부는 서로 연통되고 하부는 복수의 하부 격벽들에 의해 구획되는 순환 유동층 보일러 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 하부 격벽들은, 상기 제1격벽보다 높이가 낮게 형성된 순환유동층 보일러 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 제1격벽과 상기 하부 격벽들의 각 하부에는, 상기 복수의 공간들 사이에서 상기 바닥재가 이동하도록 이동홀들이 형성되고,
상기 이동홀들은 상기 바닥재의 이동 경로가 최대가 되도록 서로 대각선 방향으로 이격되게 배치된 순환유동층 보일러 시스템.
고체 연료와 순환 매체를 유동시키면서 연소시키는 연소실과;
상기 연소실로부터 배출된 재와 배기가스가 유입되고, 상기 재는 포집하여 상기 연소실로 순환시키고, 상기 배기가스는 배출하는 사이클론과;
상기 사이클론에서 배출된 배기가스를 이용해 상기 연소실로 공급되는 공기를 예열시키는 공기 예열기와;
상기 연소실로부터 바닥재(bottom ash)가 투입되는 투입구가 일측 상부에 형성되고, 상기 투입구에서 멀어질수록 온도가 낮아지도록 복수의 공간들로 구획되어, 상기 투입구를 통해 공급된 바닥재를 상기 복수의 공간들을 차례로 유동시켜 냉각시키는 바닥재 냉각기와;
상기 바닥재 냉각기의 하부에 설치된 윈드 박스와;
상기 바닥재 냉각기와 상기 윈드 박스 사이에 설치된 분산판과;
상기 공기 예열기에서 나온 배기가스를 상기 윈드 박스로 순환시키는 배기가스 순환유로와;
상기 배기가스 순환유로에서 상기 바닥재 냉각기측에 설치된 블로워와;
상기 공기 예열기에서 예열된 공기 중 일부를 상기 바닥재 냉각기로 순환시키도록 안내하는 공기 순환유로와;
상기 공기 순환유로와 상기 배기가스 순환유로가 연결된 지점에 설치된 댐퍼를 포함하고,
상기 복수의 공간들 중에서 상기 투입구와 연통하는 제1공간은, 상기 제1공간과 이웃하는 제2공간으로부터 상기 제1공간으로 상기 배기가스가 유입되는 것을 차단하도록 제1격벽이 설치되고,
상기 제1격벽의 하부에는 상기 제1공간에서 냉각된 바닥재가 상기 제2공간으로 이동하도록 이동홀이 형성된 순환 유동층 보일러 시스템.